汽車安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析與改進(jìn)

付景順，路家傲

（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

在汽車行業(yè)，汽車安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度是衡量汽車被動(dòng)安全性能的一個(gè)重要指標(biāo)。安全帶作為汽車被動(dòng)安全性的一種措施，已被40 多個(gè)國家用法律的形式強(qiáng)制使用。在碰撞事故發(fā)生時(shí)，汽車安全帶對(duì)于成員的保護(hù)起著重要的作用。我國的GB14167—2006《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)》標(biāo)準(zhǔn)要求，在承受固定點(diǎn)試驗(yàn)載荷的情況下，安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度必須保證安全帶不得從安裝固定點(diǎn)處脫落，但允許安裝固定點(diǎn)及周圍區(qū)域產(chǎn)生永久變形或裂紋，且規(guī)定安全帶上固定點(diǎn)在受力方向的位移不得超過一定范圍[1]。因此在車型的開發(fā)和設(shè)計(jì)中，如何使安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度滿足國家法規(guī)要求是一個(gè)關(guān)鍵性問題[2]。

通過仿真分析來改進(jìn)結(jié)構(gòu)，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，減少試驗(yàn)次數(shù)，降低設(shè)計(jì)成本[3]。本文以國內(nèi)某車型為例，利用LS_DYNA 顯式有限元分析方法，通過合理的建模，處理約束，準(zhǔn)確加載，對(duì)安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度進(jìn)行CAE 分析，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)[4]。

1 有限元模型的建立

CAE 分析中建立適當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ椭陵P(guān)重要。對(duì)于不同的分析類型，模型建立的側(cè)重點(diǎn)也會(huì)不同。應(yīng)在保證計(jì)算結(jié)果精度的前提下，盡量縮短建模時(shí)間和求解運(yùn)算時(shí)間[5]。

想要對(duì)安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行分析，首先要?jiǎng)?chuàng)建合理的有限元模型。由于考慮到整車結(jié)構(gòu)太大，計(jì)算機(jī)的配置有限，在仿真的過程中應(yīng)適當(dāng)?shù)臏p小分析模型。白車身的有限元模型采用殼單元建立，與座椅模型、安全帶系統(tǒng)組件、上下人體模塊進(jìn)行裝配，白車身模型不帶擋風(fēng)玻璃和側(cè)圍玻璃。座椅的有限元模型由座椅骨架、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、座墊組成，其中調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在建立有限元模型時(shí)省略。由于座椅骨架結(jié)構(gòu)均是薄壁件，所以用殼單元模擬骨架; 座墊為實(shí)體模型，用六面體單元?jiǎng)?chuàng)建，材料屬性選擇泡沫材料。座椅的模型，網(wǎng)格大小選擇8～10mm。車輛座椅實(shí)際靠背角為25°。安全帶單元采用二維殼單元，平均尺寸為12mm。按照法規(guī)要求：座椅模型處于滑軌最后端，為座椅的最不利使用位置；建立標(biāo)準(zhǔn)的上下人體模塊，放置于座椅的相應(yīng)位置，與安全帶正確裝配。整個(gè)模型共有525755 個(gè)殼單元，有178951個(gè)體單元。建立的模型，主要對(duì)安全帶安裝位置強(qiáng)度，包括上固定點(diǎn)安裝位置、卷收器安裝位置、下固定點(diǎn)位置和插鎖安裝位置進(jìn)行考察。整體模型如圖1 所示。

圖1 汽車座椅模型Fig.1 Model of the vehicle seat

2 邊界條件的確定

2.1 約束條件

為了盡可能的模擬實(shí)驗(yàn)，保證仿真分析的精確度。將模型周邊所有自由度進(jìn)行約束，以滿足試驗(yàn)中對(duì)固定裝置安裝的要求。將車輛固定點(diǎn)設(shè)置在前后懸架安裝位置和白車身連接副車架處。

2.2 加載

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB14167—2006 中的規(guī)定：

加載方向：沿平行于車輛縱向中心平面并與水平線成向上10°±5°的方向施加載荷。

加載力：利用模擬織帶對(duì)上人體模塊施加13500±200N 的試驗(yàn)載荷，與此同時(shí)對(duì)下人體模塊施加13500±200N 的試驗(yàn)載荷。除了按照上述要求加載外，在座椅質(zhì)心處施加一個(gè)相當(dāng)于座椅總成質(zhì)量20 倍的力，前座椅總成質(zhì)量為16kg，即該試驗(yàn)載荷為3136N。

加載速度：仿真分析的加載時(shí)間按照法規(guī)規(guī)定應(yīng)盡可能快地加載到法規(guī)規(guī)定的載荷值，并持續(xù)至少0.2s。本文進(jìn)行的加載時(shí)間80ms，持續(xù)時(shí)間40ms。

3 CAE 分析

有限元分析方法主要有顯式和隱式兩種計(jì)算方法。安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)屬于準(zhǔn)靜態(tài)問題，對(duì)于靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)問題，涉及到接觸不穩(wěn)定和及其復(fù)雜的接觸問題，很難保證迭代穩(wěn)定收斂[6]。LS－DYNA 采用的是顯示積分法[7]，這種求解方式適用于各種復(fù)雜的接觸問題[8]，比較容易收斂。因此，本分析采用LS－DYNA 的非線性顯式分析方法進(jìn)行求解。

通過LS－DYNA 求解，在Hyperview 后處理軟件中查看分析結(jié)果，安全帶上固定點(diǎn)安裝部位選用的材料為B340/590DP，材料抗拉應(yīng)變位0.2。如圖2 所示，計(jì)算得出的應(yīng)變?yōu)?.2177，安全帶上固定點(diǎn)安裝位置計(jì)算的應(yīng)變超過材料的抗拉應(yīng)變，故安全帶上固定點(diǎn)安裝位置強(qiáng)度不滿足要求。

安全帶下固定點(diǎn)安裝位置的材料為B410LA，材料抗拉應(yīng)變?yōu)?.16。如圖3所示計(jì)算應(yīng)變0.01，安全帶下固定點(diǎn)安裝位置計(jì)算的應(yīng)變小于材料的抗拉應(yīng)變，故安全帶下固定點(diǎn)安裝位置強(qiáng)度滿足要求。

圖2 安全帶上固定點(diǎn)應(yīng)變Fig.2 Seat belt fixed point strain

圖3 安全帶下固定點(diǎn)應(yīng)變Fig.3 Safety protection under strain

圖4 安全帶卷收器應(yīng)變Fig.4 Seat belt retractor strain

安全帶卷收器安裝位置的材料為DC01，材料抗拉應(yīng)變目標(biāo)0.35。如圖4所示計(jì)算應(yīng)變?yōu)?.054，安全帶卷收器安裝位置計(jì)算的應(yīng)變小于材料的抗拉應(yīng)變，故安全帶卷收器安裝位置強(qiáng)度滿足要求。

安全帶插鎖安裝位置材料為SAPH440，材料抗拉應(yīng)變?yōu)?.23。如圖5 所示計(jì)算應(yīng)變?yōu)?.205，安全帶插鎖安裝位置計(jì)算的應(yīng)變小于材料的抗拉應(yīng)變，故安全帶插鎖安裝位置強(qiáng)度滿足要求。

綜上所述，安全帶上固定點(diǎn)（高度調(diào)節(jié)器安裝位置）強(qiáng)度不滿足要求，需要對(duì)安全帶上固定點(diǎn)安裝位置（B 柱內(nèi)板）進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖5 安全帶插鎖應(yīng)變Fig.5 Belts mortise lock strain

4 改進(jìn)方案

通常改善安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的方法有增大B 柱厚度，或在固定點(diǎn)安裝位置處添加加強(qiáng)件，或是改善安全帶固定點(diǎn)周圍部件的材料，而增加厚度會(huì)增加車輛整體的重量，改變部件材料會(huì)增加整車成本。為了控制整車的成本與車重，采用局部增加加強(qiáng)件來改進(jìn)安全帶固定點(diǎn)處的強(qiáng)度，加強(qiáng)件大小要能覆蓋住高度調(diào)節(jié)器上的安裝孔，以便能全面的焊接?？紤]到成本因素，在DC01、DC04、B340/590DP、B410LA 材料中，選擇DC01 材料節(jié)約成本，厚度選為最小的1mm。如圖6所示。

對(duì)改進(jìn)后的模型重新進(jìn)行安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度分析。安全帶上固定點(diǎn)安裝位置，如圖7 所示計(jì)算應(yīng)變?yōu)?.167，而抗拉應(yīng)變?yōu)?.2，安全帶上固定點(diǎn)安裝位置計(jì)算的應(yīng)變小于材料的抗拉應(yīng)變，故安全帶上固定點(diǎn)安裝位置強(qiáng)度滿足要求。

圖6 安全帶上固定點(diǎn)改進(jìn)模型Fig.6 Seat belt fixed point improved model

圖7 改進(jìn)后的安全帶上固定點(diǎn)應(yīng)變Fig.7 Seat belt fixed point improved model's strain

將改進(jìn)的模型進(jìn)行求解計(jì)算后，對(duì)安全帶上固定點(diǎn)及其他考察位置進(jìn)行了應(yīng)變的前后對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 改進(jìn)前后應(yīng)變對(duì)比表Tab.1Straincontrasttablebeforeandafterimprovement

綜上所述，對(duì)于改進(jìn)的方案，安全帶上固定點(diǎn)強(qiáng)度符合要求，其余部位的強(qiáng)度結(jié)果與原始方案相差不大，均滿足安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

通過CAE 仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，汽車B 柱處的安全帶固定點(diǎn)不滿足國標(biāo)要求，有開裂風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此處進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在高度調(diào)節(jié)器孔位置處增加加強(qiáng)件，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE 仿真分析。分析結(jié)果表明改進(jìn)后的方案，使B 柱安全帶固定點(diǎn)處的應(yīng)變大大降低，滿足國標(biāo)的要求。這種改進(jìn)方案可以為以后實(shí)車試驗(yàn)提供理論依據(jù)。

[1]GB14167—2006． 汽車安全帶安裝固定點(diǎn)[S]．

[2]杜子學(xué)，文孝霞．汽車安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析與優(yōu)化[J]．重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，5．

[3]許早龍，范朝兵.基于LS-DYNA 的汽車安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2010，3.

[4]譚冰花，朱志軍.汽車安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析[J].第八屆INFATS，2010，12.

[5]榮兵，門永新，等.某車型安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析及優(yōu)化[A].2013中國汽車工程學(xué)會(huì)論文集精選[C].北京：理工大學(xué)出版社，2013.

[6]白金澤.LS—DYNA 理論基礎(chǔ)與分析實(shí)例.

[7]Ls-Dyna theoretical manual, May 1998.[8]Ls-Dyna theory manual, March.2006.